LightSound: 6 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

10 éves korom óta az elektronikával foglalkoztam. Apám, egy rádiós technikus megtanította az alapokat és a forrasztópáka használatát. Sokat tartozom neki. Az egyik első áramköröm egy mikrofonos audioerősítő volt, és egy ideig szerettem hallani a hangomat a csatlakoztatott hangszórón keresztül, vagy kívülről érkező hangokat, amikor kiakasztottam a mikrofont az ablakomon. Egy nap apám egy tekerccsel jött, amelyet eltávolított egy régi transzformátorból, és azt mondta: "Csatlakoztassa ezt a mikrofonja helyett". Megcsináltam, és ez volt életem egyik legcsodálatosabb pillanata. Hirtelen furcsa zümmögő hangokat, sziszegő zajt, éles elektronikus zümmögést és néhány hangot hallottam, amelyek torz emberi hangokra emlékeztettek. Olyan volt, mint a búvárkodás egy rejtett világban, amely a fülem előtt hevert, és amelyet a mai napig nem tudtam felismerni. Technikailag semmi varázslatos nem volt benne. A tekercs elektromágneses zajt vett fel mindenféle háztartási készülékből, hűtőszekrényből, mosógépből, elektromos fúróból, TV-készülékből, rádióból, utcai lámpából, stb. De a tapasztalat döntő volt számomra. Volt valami körülöttem, amit nem tudtam érzékelni, de valami elektronikus mumbo-gombbal bent voltam!

Néhány évvel később újra elgondolkodtam, és egy ötlet jutott eszembe. Mi történne, ha fototranzisztort csatlakoztatnék az erősítőhöz? Hallok olyan rezgéseket is, amelyeket a szemem lusta volt felismerni? Megcsináltam, és ismét fantasztikus élmény volt! Az emberi szem nagyon kifinomult szerv. Az összes szervünk legnagyobb információs sávszélességét biztosítja, de ez bizonyos költségekkel jár. A változások észlelésének képessége meglehetősen korlátozott. Ha a vizuális információ több mint 11 -szer változik másodpercenként, akkor a dolgok homályossá válnak. Ez az oka annak, hogy filmeket nézhetünk a moziban vagy a tévénkben. A szemünk már nem tudja követni a változásokat, és ezek az egyetlen állóképek egyetlen folyamatos mozdulattá olvadnak össze. De ha a fényt hanggá változtatjuk, fülünk tökéletesen érzékelheti ezeket az oszcillációkat másodpercenként több ezer rezgésig!

Kitaláltam egy kis elektronikát, hogy az okostelefonomat fényhang -vevővé tegyem, és lehetővé tettem ezeknek a hangoknak a rögzítését. Mivel az elektronikus nagyon egyszerű, ezen a példán szeretném megmutatni az elektronikus tervezés alapjait. Tehát elég mélyre fogunk merülni a tranzisztorokban, ellenállásokban és kondenzátorokban. De ne aggódj, egyszerű lesz a matek!

1. lépés: Elektronikus 1. rész: Mi a tranzisztor?

Most itt van a gyors és nem piszkos bevezetése a bipoláris tranzisztorokba. Két különböző típus létezik. Az egyik neve NPN, és ezt láthatja a képen. A másik típus a PNP, és itt nem beszélünk róla. A különbség csak az áram és a feszültség polaritásának kérdése, és nem további érdek.

Az NPN-tranzisztor egy elektronikus alkatrész, amely erősíti az áramot. Alapvetően három terminálja van. Az egyik mindig földelt. Képünkön "kibocsátónak" hívják. Ezután megvan az "alap", amely a bal oldali és a "Gyűjtő", amely a felső. Bármely áram, amely az IB bázisba megy, erősített áramot okoz, amely a kollektor IC -n keresztül úszik, és az emitteren keresztül visszajut a földbe. Az áramot külső UB feszültségforrásról kell vezérelni. Az IC erősített áram és az IB alapáram aránya IC/IB = B. B-t egyenáramú erősítésnek nevezzük. Ez függ a hőmérséklettől és a tranzisztor beállításától az áramkörben. Ezenkívül súlyos gyártási tűrésekre hajlamos, ezért nincs sok értelme fix értékekkel számolni. Mindig ne feledje, hogy a jelenlegi nyereség sokat terjedhet. B -n kívül van még egy "béta" név. A Wile B jellemzi a DC jel erősítését, a béta ugyanezt teszi az AC jelek esetében. Általában a B és a béta nem különböznek egymástól.

A bemeneti árammal együtt a tranzisztornak van bemeneti feszültsége is. A feszültség korlátai nagyon szűkek. Normál alkalmazásokban 0,62V … 0,7V közötti területen mozog. A feszültségváltozás erőltetése az alapra a kollektoráram drámai változásait eredményezi, mivel ez a függőség egy exponenciális görbét követ.

2. lépés: Elektronikus 2. rész: Az erősítő első szakaszának megtervezése

Most már úton vagyunk. A modulált fény hanggá alakításához fototranzisztorra van szükségünk. A fototranzisztor nagyon hasonlít az előző lépés szabványos NPN-tranzisztorához. De nem csak a kollektoráram megváltoztatására képes az alapáram szabályozásával. Ezenkívül a kollektoráram a fénytől függ. Sok fényáram, kevesebb fény nélküli áram. Ilyen könnyű.

A tápegység megadása

Amikor hardvert tervezek, első lépésként meg kell határoznom a tápegységet, mert ez MINDENT befolyásol az áramkörben. Az 1, 5 V -os akkumulátor használata rossz ötlet lenne, mert amint azt az 1. lépésben megtudtuk, a tranzisztor UBE értéke 0, 65 V körül van, és így már a felénél 1, 5 V -ig. Több tartalékot kell biztosítanunk. Szeretem a 9V -os elemeket. Olcsók és könnyen kezelhetők, és nem sok helyet foglalnak el. Tehát menjünk 9V -al. UB = 9V

A kollektoráram megadása

Ez is döntő fontosságú, és mindenre hatással van. Nem lehet túl kicsi, mert akkor a tranzisztor instabillá válik, és a jelzaj növekszik. Nem szabad túl magasnak lennie, mivel a tranzisztornak mindig van üresjárata és feszültsége, és ez azt jelenti, hogy energiát fogyaszt, amely hővé alakul. A túl sok áram lemeríti az elemeket, és a hő hatására megölheti a tranzisztorokat. Alkalmazásaimban a kollektoráramot mindig 1… 5 mA között tartom. Esetünkben 2mA -val. IC = 2 mA.

Tisztítsa meg a tápegységet

Ha erősítőfokozatokat tervez, mindig jó ötlet, ha tisztán tartja az egyenáramú tápegységet. A tápegység gyakran zajt és zümmögést okoz, még akkor is, ha elemet használ. Ennek az az oka, hogy általában ésszerű hosszúságú kábeleket csatlakoztat a tápegység sínjéhez, amelyek antennaként működhetnek a bőséges zümmögés esetén. Általában egy kis ellenálláson keresztül vezetem a tápáramot, és a végén egy kövér polarizált kondenzátort biztosítok. Rövidre vág minden AC jelet a földdel szemben. A képen az ellenállás R1, a kondenzátor pedig C1. Tartsuk kicsiben az ellenállást, mert az általa generált feszültségesés korlátozza a kimenetünket. Most elmondhatom a tapasztalataimat, és azt mondhatom, hogy az 1V -os feszültségcsökkenés elviselhető, ha 9 V -os tápegységgel dolgozik. UF = 1V.

Most egy kicsit előre kell látnunk a gondolatainkat. Később látni fogja, hogy hozzáadunk egy második tranzisztoros fokozatot, amelynek szintén tisztítania kell a tápáramot. Tehát az R1 -en átáramló áram mennyisége megkétszereződik. Az R1 feszültségcsökkenése R1 = UF/(2xIC) = 1V/4mA = 250 Ohm. Soha nem kapja meg pontosan azt az ellenállást, amelyet szeretne, mert bizonyos értékközökben kerülnek előállításra. Az értékünkhöz legközelebb eső érték 270 Ohm, és ezzel minden rendben lesz. R1 = 270 Ohm.

Ezután a C1 = 220uF értéket választjuk. Ez 1/(2*PI*R1*C1) = 2, 7Hz sarokfrekvenciát ad. Ne gondolkozz ezen túl sokat. A sarokfrekvencia az, ahol a szűrő elkezdi elnyomni az AC jeleket. Akár 2, 7 Hz -ig minden többé -kevésbé gyengített lesz. A 2, 7 Hz -en túl a jelek egyre jobban elnyomódnak. Az elsőrendű aluláteresztő szűrő csillapítását az A = 1/(2*PI*f*R1*C1) írja le. A legközelebbi ellenségünk az interferencia szempontjából az 50 Hz -es távvezeték zümmögése. Tehát alkalmazzuk az f = 50 értéket, és kapjuk az A = 0, 053 értéket. Ez azt jelenti, hogy a zajnak csak 5,3% -a jut át a szűrőn. Elégnek kell lennie a szükségleteinkhez.

A kollektor feszültség torzításának megadása

A torzítás az a pont, ahol a tranzisztorát tétlen üzemmódba helyezi. Ez határozza meg annak áramát és feszültségét, ha nincs bemenő jel, amelyet erősíteni kellene. Ennek a torzításnak a pontos meghatározása alapvető fontosságú, mert például a kollektor feszültség -torzítása határozza meg azt a pontot, ahol a jel megfordul, amikor a tranzisztor működik. Ha ezt a pontot tévesen helyezi el, akkor torz jel lesz, ha a kimeneti lengés a földet vagy a tápegységet érinti. Ezek azok az abszolút határok, amelyeket a tranzisztor nem tud átlépni! Általában jó ötlet, ha a kimeneti feszültség torzítást középre helyezi a föld és az UB között UB/2-nél, esetünkben (UB-UF)/2 = 4V. De valamiért később megérted, szeretném kicsit lejjebb tenni. Először nem kell nagy kimeneti lengés, mert ebben az első szakaszban még az erősítés után is a jelünk a millivolt tartományban lesz. Másodszor, az alacsonyabb torzítás jobb lesz a következő tranzisztor szakaszban, mint látni fogja. Tehát tegyük a torzítást a 3V -ra. UA = 3V.

Számítsa ki a kollektor ellenállást

Most kiszámíthatjuk a többi komponenst. Látni fogja, ha egy kollektoráram átfolyik az R2 -n, akkor feszültségcsökkenést kapunk az UB -ből. Mivel UA = UB-UF-IC*R1, kivonhatjuk az R1-et, és megkapjuk az R1 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-3V)/2mA = 2, 5K értéket. Ismét a következő normál értéket választjuk, és R1 = 2, 7K Ohm értéket veszünk.

Számítsa ki az alapellenállást

Az R3 kiszámításához egy egyszerű egyenletet vezethetünk le. Az R3 feszültsége UA-UBE. Most ismernünk kell az alapáramot. Mondtam, hogy az egyenáramú erősítés B = IC/IB, tehát IB = IC/B, de mi a B értéke? Sajnos fototranzisztort használtam a felesleges csomagból, és nincsenek megfelelő jelölések az alkatrészeken. Tehát használnunk kell a fantáziánkat. A fototranzisztorok nem rendelkeznek olyan erősítéssel. Inkább a sebességre vannak tervezve. Míg a normál tranzisztor egyenáramú erősítése elérheti a 800-at, a fototranzisztor B-tényezője 200..400 között lehet. Tehát menjünk B = 300 -mal. R3 = (UA-UBE)/IB = B*(UA-UBE)/IC = 352K Ohm. Ez közel 360K Ohm. Sajnos nincs ilyen érték a dobozomban, ezért 240K+100K sorozatot használtam helyette. R3 = 340K Ohm.

Megkérdezheti magától, hogy miért vezetjük le az alapáramot a kollektorról, és nem az UB -ről. Hadd mondjam el ezt. A tranzisztor torzítása törékeny dolog, mert a tranzisztor hajlamos a termelési tűrésekre, valamint a hőmérséklettől való erős függésre. Ez azt jelenti, hogy ha közvetlenül az UB -ről torzítja a tranzisztorát, akkor valószínűleg hamarosan elúszik. A probléma megoldásához a hardvertervezők "negatív visszacsatolás" -nak nevezett módszert használnak. Nézze meg újra körünket. Az alapáram a kollektor feszültségéből származik. Most képzeljük el, hogy a tranzisztor felmelegszik, és a B-értéke emelkedik. Ez azt jelenti, hogy több kollektoráram folyik, és az UA csökken. De a kisebb UA kisebb IB -t is jelent, és az UA feszültség ismét egy kicsit emelkedik. A B csökkenésével ugyanez a hatás fordítva. Ez SZABÁLYOZÁS! Ez azt jelenti, hogy ügyes huzalozással korlátok között tarthatjuk a tranzisztor torzítását. A következő szakaszban egy másik negatív visszajelzést is látni fog. Mellesleg, a negatív visszacsatolás általában csökkenti a színpad erősítését is, de vannak módok ezen a problémán való túljutásra.

3. lépés: Elektronikus 3. rész: A második szakasz tervezése

Végeztem némi tesztet azáltal, hogy az előző lépésben előzetesen megerősített szakaszból származó fényhangot használtam az okostelefonomba. Bátorító volt, de azt gondoltam, hogy egy kis erősítés jobban sikerül. Úgy becsültem, hogy az 5 -ös faktor további növelése elvégzi a munkát. Tehát itt a második szakasz! Rendszerint a tranzisztorokat ismét a második szakaszban állítottuk be saját torzítással, és egy kondenzátoron keresztül tápláltuk be az előfokozott jelet az első fokozatból. Ne feledje, hogy a kondenzátorok nem engedik át az egyenáramot. Csak az AC jel átmehet. Ily módon átirányíthatja a jelet a szakaszokon, és az egyes szakaszok torzítása nem lesz hatással. De tegyük egy kicsit érdekesebbé a dolgokat, és próbáljunk meg menteni néhány alkatrészt, mert szeretnénk kicsi és kéznél tartani az eszközt. Az 1. fokozat kimeneti torzítását használjuk a tranzisztor torzítására a 2. szakaszban!

Az R5 emitter ellenállás kiszámítása

Ebben a szakaszban az NPN-tranzisztorunk közvetlenül torzul az előző szakaszhoz képest. A kapcsolási rajzon látjuk, hogy UE = UBE + ICxR5. Mivel az UE = UA az előző szakaszból, kivonhatjuk az R5 = (UE-UBE)/IC = (3V-0,65V)/2mA = 1, 17K Ohm értéket. Ezt 1, 2K Ohm -ra állítjuk, amely a legközelebbi normál érték. R5 = 1, 2K Ohm.

Itt másfajta visszajelzéseket láthat. Tegyük fel, hogy míg az UE állandó marad, a tranzisztor B értéke nő a hőmérséklet hatására. Így nagyobb áramot kapunk a kollektoron és a kibocsátón keresztül. De az R5 -n keresztüli nagyobb áram nagyobb feszültséget jelent az R5 -en. Mivel az UBE = UE - IC*R5, az IC növekedése az UBE csökkenését és ezáltal az IC ismételt csökkenését jelenti. Itt is van szabályozás, amely segít megőrizni az elfogultságot.

Az R4 kollektorellenállás kiszámítása

Most figyelnünk kell az UA kollektorjel kimeneti ingadozását. Az alsó határ a 3V-0, 65V = 2, 35V emitter-torzítás. A felső határ az UB-UB = 9V-1V = 8V feszültség. Gyűjtői elfogultságunkat a közepére tesszük. UA = 2, 35V + (8V-2, 35V)/2 = 5, 2V. UA = 5, 2V. Most könnyen kiszámítható az R4. R4 = (UB-UF-UA)/IC = (9V-1V-5, 2V)/2mA = 1, 4K Ohm. Ezt R4 = 1, 5K Ohm -ra állítjuk.

Mi a helyzet az erősítéssel?

Tehát mi a helyzet az erősítés 5 -ös tényezőjével, amelyet meg akarunk szerezni? Az AC jelek feszültség-erősítését a szakaszban, amint láthatja, egy nagyon egyszerű képlet írja le. Vu = R4/R5. Elég egyszerű, mi? Ez egy tranzisztor erősítése negatív visszacsatolással az emitter ellenálláson. Ne feledje, hogy elmondtam, hogy a negatív visszacsatolás az erősítést is befolyásolja, ha nem tesz megfelelő eszközöket ellene.

Ha az erősítést az R4 és R5 választott értékeivel számítjuk ki, akkor V = R4/R5 = 1,5K/1,2K = 1,2 értéket kapunk. Hm, ez elég messze van az 5. Tehát mit tehetünk? Nos, először azt látjuk, hogy nem tehetünk semmit az R4 -el kapcsolatban. Ezt a kimeneti torzítás és a feszültség korlátai rögzítik. Mi lesz az R5 -tel? Számítsuk ki az R5 értékét, ha 5 -ös erősítéssel rendelkezünk. Ez egyszerű, mert Vu = R4/R5 ez azt jelenti, hogy R5 = R4/Vu = 1,5K Ohm/5 = 300 Ohm. Rendben, ez rendben van, de ha az áramkörünkbe 1,2 ohm helyett 300 Ohm -ot helyeznénk, akkor az elfogultságunk elcsavarodna. Tehát mindkettőt fel kell tennünk, 1,2K Ohm az egyenáramú torzításhoz és 300 Ohm az AC negatív visszacsatoláshoz. Nézze meg a második képet. Látni fogja, hogy az 1, 2K ohmos ellenállást 220 ohmosra és 1K ohmot sorba osztottam. Ezenkívül 220 ohmot választottam, mert nem volt 300 ohmos ellenállásom. Az 1K -t egy zsíros polarizált kondenzátor is megkerüli. Mit jelent ez? Nos, az egyenáramú torzításhoz ez azt jelenti, hogy a negatív visszacsatolás "lát" egy 1, 2K Ohm -ot, mert előfordulhat, hogy az egyenáram nem megy át a kondenzátoron, tehát az egyenáramú torzításnál a C3 egyszerűen nem létezik! Az AC jel viszont csak "látja" a 220 Ohm-ot, mert az R6 minden váltakozó feszültségcsökkenése rövidre van zárva a földdel. Nincs feszültségcsökkenés, nincs visszajelzés. Csak a 220 Ohm marad negatív visszacsatoláshoz. Elég okos, mi?

Ahhoz, hogy ez megfelelően működjön, a C3 -at kell választania, hogy az impedanciája sokkal alacsonyabb legyen, mint az R3. A jó érték az R3 10% -a a lehető legalacsonyabb működési frekvenciánál. Tegyük fel, hogy a legalacsonyabb frekvenciánk 30 Hz. A kondenzátor impedanciája Xc = 1/(2*PI*f*C3). Ha kivonjuk a C3 -at és beírjuk az R3 gyakoriságát és értékét, akkor C3 = 1/(2*PI*f*R3/10) = 53uF értéket kapunk. A legközelebbi normál értéknek való megfelelés érdekében tegyük C3 = 47uF értékűvé.

Most nézze meg az elkészült vázlatot az utolsó képen. Végeztünk!

4. lépés: A mechanika elkészítése 1. rész: Az anyagok listája

A készülék elkészítéséhez a következő alkatrészeket használtam:

• Az összes elektronikus alkatrész a sematikából
• Normál műanyag tok 80 x 60 x 22 mm, beépített rekesszel 9V -os elemekhez
• 9V -os elemcsipesz
• 1m 4pol audio kábel 3,5 mm -es jack csatlakozóval
• 3pol. sztereó aljzat 3,5 mm
• egy kapcsoló
• egy darab perfboard
• 9V -os akkumulátor
• forrasztani
• 2 mm -es rézhuzal 0, 25 mm -es elszigetelt feszített huzal

A következő eszközöket kell használni:

• Forrasztópáka
• Elektromos fúró
• Digitális multiméter
• egy kerek rasp

5. lépés: A mechanika elkészítése: 2. rész

Helyezze el a kapcsolót és a 3,5 mm -es aljzatot

A reszelő segítségével reszeljen két fél lyukat a burkolat mindkét részében (felső és alsó). Tegye a lyukat elég szélesre ahhoz, hogy a kapcsoló beférjen. Most tegye ugyanezt a 3,5 mm -es foglalattal. A foglalat a füldugók csatlakoztatására szolgál. Az audio kimenetek a 4pol. csatlakozó a 3,5 mm -es aljzatba kerül.

Készítsen lyukakat a kábelhez és a fototranzisztorhoz

Fúrjon 3 mm-es lyukat az elülső oldalon, és ragassza be a fototranzisztorba úgy, hogy a csatlakozói átmenjenek a lyukon. Fúrjon másik 2 mm átmérőjű lyukat az egyik oldalára. A 4 mm -es jack csatlakozóval ellátott audio kábel áthalad rajta.

Forrasztani az elektronikus

Most forrasztja fel az elektronikai alkatrészeket a perfboardra, és csatlakoztassa az audio kábelhez és a 3,5 mm -es aljzathoz, ahogyan az az ábrán látható. Tájékozódásképpen nézze meg a képeket, amelyeken láthatók az aljzatokon lévő jelkivezetések. Használja a DMM -et, hogy melyik csatlakozóból érkező jel melyik vezetékről érkezzen, hogy azonosítsa azt.

Ha minden kész, kapcsolja be a készüléket, és ellenőrizze, hogy a tranzisztorok feszültségkimenete többé -kevésbé a számított tartományban van -e. Ha nem, próbálja meg az R3 beállítását az erősítő első szakaszában. Valószínűleg ez lesz a probléma a tranzisztorok széles körű tűrései miatt, és szükség lehet az érték beállítására.

6. lépés: Tesztelés

Néhány évvel ezelőtt építettem egy ilyen típusú, kifinomultabb eszközt (lásd a videót). Ettől kezdve összegyűjtöttem egy csomó hangmintát, amit meg akarok mutatni. Többségüket az autómban vezetve gyűjtöttem össze, és a fototranzisztoromat a szélvédőm mögé helyeztem.

• "Bus_Anzeige_2.mp3" Ez egy külső LED-kijelző hangja egy elhaladó buszon
• "Fahrzeug mit Blinker.mp3" Egy autó villogása
• "LED_Scheinwerfer.mp3" Egy autó fényszórója
• "Neonreklame.mp3" neonfények
• "Schwebung.mp3" Két zavaró autó fényszórójának üteme
• "Sound_Flourescent_Lamp.mp3" A CFL hangja
• "Sound_oscilloscope.mp3" Az oszcilloszkóp képernyőm hangja különböző időbeállításokkal
• "Sound-PC Monitor.mp3" A PC-monitor hangja
• "Strassenlampen_Sequenz.mp3" Utcai lámpák
• "Was_ist_das_1.mp3" Egy halk és furcsa, idegen hang, amit valahol elcsíptem, amikor az autómban körbehajtottam.

Remélem, megnedvesíthetem az étvágyát, és most önállóan fedezheti fel a fények új világát!